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Hacia sistemas de interfaz cerebro-computadora de próxima generación

Fecha :
12 de agosto de 2021
Fuente :
Universidad de Brown
Resumen :
Un nuevo tipo de sistema de interfaz neuronal que coordina la actividad de cientos de pequeños sensores cerebrales podría algún día profundizar la comprensión del cerebro y conducir a nuevas terapias médicas.
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Concepto abstracto que ilustra la interfaz cerebro-computadora imagen de archivo.
Crédito: © Dana.S / stock.adobe.com

Las interfaces cerebro-computadora BCI son dispositivos de asistencia emergentes que algún día pueden ayudar a las personas con lesiones cerebrales o espinales a moverse o comunicarse. Los sistemas BCI dependen de sensores implantables que registran señales eléctricas en el cerebro y usan esas señales para impulsar dispositivos externoscomo computadoras o prótesis robóticas.

La mayoría de los sistemas BCI actuales utilizan uno o dos sensores para muestrear hasta unos pocos cientos de neuronas, pero los neurocientíficos están interesados ​​en sistemas que pueden recopilar datos de grupos mucho más grandes de células cerebrales.

Ahora, un equipo de investigadores ha dado un paso clave hacia un nuevo concepto para un futuro sistema BCI, uno que emplea una red coordinada de sensores neuronales inalámbricos independientes a microescala, cada uno del tamaño de un grano de sal, para registrary estimulan la actividad cerebral. Los sensores, denominados "neurogranos", registran de forma independiente los pulsos eléctricos producidos por la activación de neuronas y envían las señales de forma inalámbrica a un concentrador central, que coordina y procesa las señales.

En un estudio publicado el 12 de agosto en Electrónica de la naturaleza , el equipo de investigación demostró el uso de casi 50 de estos neurogranos autónomos para registrar la actividad neuronal en un roedor.

Los resultados, dicen los investigadores, son un paso hacia un sistema que algún día podría permitir el registro de señales cerebrales con un detalle sin precedentes, lo que generaría nuevos conocimientos sobre cómo funciona el cerebro y nuevas terapias para personas con lesiones cerebrales o espinales.

"Uno de los grandes desafíos en el campo de las interfaces cerebro-computadora es diseñar formas de sondear tantos puntos en el cerebro como sea posible", dijo Arto Nurmikko, profesor de la Escuela de Ingeniería de Brown y autor principal del estudio.Hasta ahora, la mayoría de BCI han sido dispositivos monolíticos, un poco como pequeños lechos de agujas. La idea de nuestro equipo era dividir ese monolito en pequeños sensores que pudieran distribuirse por la corteza cerebral. Eso es lo que hemos podido demostrar aquí. "

El equipo, que incluye expertos de Brown, Baylor University, University of California en San Diego y Qualcomm, comenzó el trabajo de desarrollo del sistema hace unos cuatro años. El desafío era doble, dijo Nurmikko, afiliado a Brown'sCarney Institute for Brain Science. La primera parte requirió reducir la compleja electrónica involucrada en la detección, amplificación y transmisión de señales neuronales en los diminutos chips de neurograno de silicio. El equipo primero diseñó y simuló la electrónica en una computadora, y pasó por varias iteraciones de fabricación para desarrollarchips operativos.

El segundo desafío fue desarrollar el centro de comunicaciones externo al cuerpo que recibe señales de esos pequeños chips. El dispositivo es un parche delgado, del tamaño de una huella digital, que se adhiere al cuero cabelludo fuera del cráneo. Funciona como una miniaturatorre de telefonía celular, que emplea un protocolo de red para coordinar las señales de los neurogranos, cada uno de los cuales tiene su propia dirección de red. El parche también suministra energía de forma inalámbrica a los neurogranos, que están diseñados para funcionar con una cantidad mínima de electricidad.

"Este trabajo fue un verdadero desafío multidisciplinario", dijo Jihun Lee, investigador postdoctoral en Brown y autor principal del estudio. "Tuvimos que reunir la experiencia en electromagnética, comunicación por radiofrecuencia, diseño de circuitos, fabricación y neurociencia para diseñar yoperar el sistema neurograin. "

El objetivo de este nuevo estudio era demostrar que el sistema podía registrar señales neuronales de un cerebro vivo, en este caso, el cerebro de un roedor. El equipo colocó 48 neurogranos en la corteza cerebral del animal, la capa externa de lacerebro, y registró con éxito las señales neuronales características asociadas con la actividad cerebral espontánea.

El equipo también probó la capacidad de los dispositivos para estimular el cerebro y grabar desde él. La estimulación se realiza con pequeños pulsos eléctricos que pueden activar la actividad neuronal. La estimulación es impulsada por el mismo concentrador que coordina la grabación neuronal y podría algún díarestaurar la función cerebral perdida a causa de una enfermedad o lesión, esperan los investigadores.

El tamaño del cerebro del animal limitó al equipo a 48 neurogranos para este estudio, pero los datos sugieren que la configuración actual del sistema podría admitir hasta 770. En última instancia, el equipo prevé escalar a muchos miles de neurogranos, lo queproporcionan una imagen actualmente inalcanzable de la actividad cerebral.

"Fue un esfuerzo desafiante, ya que el sistema exige la transferencia de energía inalámbrica y la conexión en red simultáneas a una velocidad de megabits por segundo, y esto debe lograrse con un área de silicio y restricciones de energía extremadamente estrictas", dijo Vincent Leung.profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de Baylor. "Nuestro equipo empujó los límites de los implantes neuronales distribuidos".

Hay mucho más trabajo por hacer para hacer realidad ese sistema completo, pero los investigadores dijeron que este estudio representa un paso clave en esa dirección.

"Nuestra esperanza es que, en última instancia, podamos desarrollar un sistema que proporcione nuevos conocimientos científicos sobre el cerebro y nuevas terapias que puedan ayudar a las personas afectadas por lesiones devastadoras", dijo Nurmikko.

Otros coautores de la investigación fueron Ah-Hyoung Lee Brown, Jiannan Huang UCSD, Peter Asbeck UCSD, Patrick P. Mercier UCSD, Stephen Shellhammer Qualcomm, Lawrence Larson Brown yFarah Laiwalla Brown. La investigación fue apoyada por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa N66001-17-C-4013.


Fuente de la historia :

Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.


Referencia de la revista :

  1. Jihun Lee, Vincent Leung, Ah-Hyoung Lee, Jiannan Huang, Peter Asbeck, Patrick P. Mercier, Stephen Shellhammer, Lawrence Larson, Farah Laiwalla, Arto Nurmikko. Grabación y estimulación neuronal mediante redes inalámbricas de microimplantes . Electrónica de la naturaleza , 2021; DOI: 10.1038 / s41928-021-00631-8

cite esta página :

Brown University. "Toward next-generation brain-computer interface systems". ScienceDaily. ScienceDaily, 12 de agosto de 2021. .
Universidad de Brown. 2021, 12 de agosto. Hacia sistemas de interfaz cerebro-computadora de próxima generación. ScienceDaily . Consultado el 12 de agosto de 2021 en www.science-things.com/releases/2021/08/210812135910.htm
Brown University. "Toward next-generation brain-computer interface systems". ScienceDaily. Www.science-things.com/releases/2021/08/210812135910.htm consultado el 12 de agosto de 2021.

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